某步槍擊錘壽命分析

武國梁，解志堅，楊 臻，王自勇

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401320）

0 引言

目前，國外步槍的擊發(fā)機(jī)構(gòu)大多數(shù)采用擊錘回轉(zhuǎn)式擊發(fā)機(jī)構(gòu)，擊錘回轉(zhuǎn)式運動撞擊擊針，回轉(zhuǎn)式擊錘的能量來源于擊錘簧或者復(fù)進(jìn)簧，擊錘回轉(zhuǎn)式延續(xù)時間短，可隨時射擊，被廣泛應(yīng)用于手槍、半自動步槍、自動步槍中。

擊錘直動式擊發(fā)機(jī)構(gòu)，擊錘作直線運動撞擊擊針。擊錘的能量來源于擊錘簧或者復(fù)進(jìn)簧，擊錘作直線運動的結(jié)構(gòu)成待發(fā)時可使槍機(jī)停于前方，使單發(fā)或連發(fā)第一發(fā)射擊時對武器的撞擊較小，有利于提高其射擊的精度。擊錘直動式擊發(fā)機(jī)構(gòu)，可以減小擊針尺寸，減小槍機(jī)尺寸，提高槍機(jī)的強(qiáng)度，并且擊錘打擊擊針有足夠的能量和速度，擊發(fā)可靠［1-2］。為了使步槍輕量化，本文采用擊錘直動式擊發(fā)機(jī)構(gòu)，并對擊錘關(guān)鍵部位在射擊全過程進(jìn)行了壽命分析。

1 某步槍擊錘發(fā)射過程分析

某型步槍采用的是導(dǎo)氣式自動原理，通過火藥燃?xì)怛?qū)動各機(jī)構(gòu)運動，槍彈擊發(fā)后，當(dāng)彈丸穿過導(dǎo)氣孔后，火藥燃?xì)馔苿踊钊麠U向后運動并撞擊槍機(jī)框帶動槍機(jī)后坐，從而帶動擊錘向后運動，當(dāng)擊錘撞擊緩沖杠桿后停止運動；然后在復(fù)進(jìn)簧的作用下槍機(jī)框與槍機(jī)共同復(fù)進(jìn)運動，最后，通過扣動扳機(jī)擊錘從阻鐵上解脫后打擊彈底。簡化的步槍擊錘模型示意圖如圖1所示。

2 動力學(xué)特性分析

由于某型步槍自身結(jié)構(gòu)的獨特性，以及高速攝影拍攝的局限性，導(dǎo)致對某型步槍擊錘運動學(xué)特性不能完全描述。為了解擊錘在運動全過程中的受力情況，使得后續(xù)仿真分析結(jié)果更加趨于實際情況，結(jié)合步槍實測三維模型，運用ADAMS軟件對擊錘動力學(xué)特性進(jìn)行分析。

2.1 模型假設(shè)

根據(jù)該型步槍的結(jié)構(gòu)特點，以及射擊時各部件的運動過程，在不影響模型正常運動的前提下作如下假設(shè)：1）所有的零件均為剛體；2）機(jī)匣體與地面固定；3）彈簧不考慮阻尼。

2.2 模型建立

將簡化后的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，按照該型步槍射擊時各零部件的實際運動和受力情況添加相應(yīng)的約束如表1所示，并對擊錘的動力學(xué)特性進(jìn)行分析［3］。添加約束后的分析模型如圖2所示。

表1 主要構(gòu)件約束表

根據(jù)發(fā)射過程中的彈藥內(nèi)彈道參數(shù)，結(jié)合高速攝影實測的運動規(guī)律，將仿真模型進(jìn)行修正，修正后擊錘v-t曲線如圖3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，取5個撞擊位置，將5個撞擊位置速度與高速攝影測出的速度參數(shù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果與實測結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比表

通過上述結(jié)果，得出槍機(jī)體與擊錘在0.018 s～0.020 s間發(fā)生對撞，由于該對撞發(fā)生位置位于槍托內(nèi)部，因此，高速攝影并未采集到相關(guān)信息。修正后的仿真值與測量值誤差在±0.3 m之內(nèi)，仿真值較符合實際情況。

3 有限元分析

將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中，并將動力學(xué)仿真得出的撞擊速度加載到有限元分析模型中［4］。將擊錘在5個撞擊位置的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。擊錘選用30CrMnTiA材料，該材料屬性如表3所示。

表3 30CrMnTiA材料屬性

表4 擊錘在5個撞擊點的應(yīng)力值

擊錘在5個撞擊點的應(yīng)力值如表4所示，擊錘在整個循環(huán)過程中所受的應(yīng)力最大值如圖4所示。

擊錘在運動過程中主要承受各種沖擊載荷，由于目前尚無30CrMnTiA材料的沖擊疲勞數(shù)據(jù)，因此，可通過如下關(guān)系由常規(guī)疲勞數(shù)據(jù)確定。換算公式如表5所示（Sj為常規(guī)疲勞極限）［4］。

表5 沖擊疲勞與常規(guī)疲勞極限換算公式

結(jié)合30CrMnTiA的材料熱處理情況，取S=0.86Sj，將修正后的材料S-N曲線加載Workbench中，調(diào)用Fatigue Tool模塊［7］，對擊錘壽命進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下，得出擊錘關(guān)鍵部位圖5的疲勞壽命如表6所示。

表6 擊錘關(guān)鍵部位疲勞壽命匯總表

仿真結(jié)果得出，擊錘壽命為13 403發(fā)。滿足10 000發(fā)的設(shè)計要求。

經(jīng)取3組擊錘進(jìn)行壽命試驗，統(tǒng)計如表7所示。

表7 壽命匯總

未改變參數(shù)前實測擊錘壽命為13 500發(fā)，改變參數(shù)后實測得出擊錘平均壽命為11 845發(fā)，仿真與試驗誤差為13.1%。

4 結(jié)論

本文運用ADAMS軟件對擊錘的動力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。分析結(jié)果表明對擊錘在整個運動過程中受力情況的模擬是合理的，并且仿真結(jié)果與試驗值誤差較小。同時也說明了步槍的輕量化對于整個擊錘的壽命并無太大影響。并且還對擊錘的關(guān)鍵部位進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明擊錘的失效形式是以變形和疲勞斷裂為主的。

［1］易聲耀，張競.自動武器原理與構(gòu)造學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992：201-203.

［2］于道文，涂光蘇.自動武器學(xué)（自動機(jī)設(shè)計分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992.

［3］趙武云，史增錄.ADAMS 2013基礎(chǔ)與應(yīng)用實例教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

［4］《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會.機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［5］《步兵自動武器及彈藥設(shè)計手冊》編寫組.步兵自動武器及彈藥設(shè)計手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1977.

［6］宮鵬涵，周克棟，康小勇，等.某自動步槍發(fā)射動力學(xué)仿真［J］.彈道學(xué)報，2014，26（1）：94-97.

［7］易聲耀，尚建忠.步槍系統(tǒng)發(fā)射過程的動力學(xué)建模［J］.彈道學(xué)報，2008，20（1）：85-90.

［8］葛藤，賈智宏，周克棟.某型自動步槍擊發(fā)機(jī)構(gòu)擊發(fā)過程分析研究［J］.彈道學(xué)報，2008，20（2）：77-80.

［9］A mathematical model of the 30MM advanced medium caliber weapon system［R］.AD-A 039713，2010.

［10］NEWMAN A R.A theoretical and experimental study of the dynamics at the small arm firer interface［C］//Proceedings of the Tench International Conference of Ballistics，1987.

［11］Studies in the methodology of weapons systems effectiveness analysis using the techniques of simulation optimization and statistics-phaseⅡ［R］.AD-875397，2009.